某型武器装填液压系统的PLC控制研究.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 N o ． 1 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 3 4 某型武器装填液压系统的 P L C控制研究 韩 宗真 ，敖 正平 ，向平 武汉第二船舶设计研 究所 ，湖北武汉 4 3 0 0 6 4 摘要介绍某型武器装填液压系统的工作原理，研制以可编程控制器 P L C 为核心的控制系统，对控制系统的硬件 结构、控制软件设计以及抗干扰措施等进行详细介绍。实验结果表明该 P L C控制系统实现对武器装填液压系统的运动控 制，达到预期控制要求。 关键词武器；装填液压系统；P L C 中图分类号T P 2 7 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 9 5 3 PLC Co nt r o l o f Ce r t a i n W e a p o n Lo a di n g Hy dr a u l i c S y s t e m HAN Zo n g z he n，AO Zh e n g p i n g， XI ANG Pi n g Wu h a n S e c o n d S h i p D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f c e r t a i n we a p o n l o a d i n g h y d r a u l i c s y s t e m w a s i n t r o d u c e d ． A c o n t r o l s y s t e m u s i n g PL C a s a p r i ma r y c o n t r o l l i n g c o mp o n e n t wa s d e v e l o p e d ． T h e s t r u c t u r e s o f t h e h a r d wa r e a n d s o f t w a r e ， a n t i ． i n t e r f e r e n c e me asu r e s we r e i l l u s t r a ． t e d ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o w s t h a t t h e mo v e me n t c o n t r o l o f t h e w e a p o n l o a d i n g h y d r a u l i c s y s t e m i s r e a l i z e d b y t h e P L C c o n t r o l s y s t e m a n d t h e e x pe c t e d r e qu i r e me n t s a r e f u l f i l l e d． Ke y wo r d s W e a po n； L o a d i n g h y d r a u l i c s y s t e m ； P L C 武器装填装置是一种集 机械 、电气 、液压 、控制 等多学科技术于一体，将处于存放位上的武器按自动 方式装入发射管中的专用装置。其 目标是实现武器装 填的快速性、可靠性、安全性 ，这对于缩短作战准备 时间 、提高快速反应能力具有重要 的军事意义 。 武 器装 填液压系统是武器装填装 置完 成各项预定 功能 、达 到战技指标 的关键 系统之一 ，作者介绍 了武 器装填 液压系 统 的工作 原 理 ，以西 门子 P L C和 电液 比例流量 阀为核心部 件展开二次开发 ，并在此基 础上 形成其电控系统。 1 装填液压系统的工作原理 3 一 三 位 四 通 电 磁 换 向 阀7 一 暇 压 与 达 旁 通 阀 4 ． 液 压 锁 图 1 装填液压系统工作原理简图 装填液压系统采用液压马达作为动力输出元件， 通过 调节液 压油流量控制马达转速从而控制武器 装填 速度。装填液压系统有多个分组，各个分组中的控制 模 块都相 同，如 图 1 所示为装填液压 系统单个分组 工 作 原理简 图⋯ 。 武器 自动装填时，旁通阀 2 、7处 于关闭状态 ， 系统压力油 由比例 流量 阀 1的 c 口进 入 、由 D 口流 出，此时三位四通电磁换向阀3切换到工作状态 B位 置 ，液压 马达顺 时针旋转 ，带动武器 向前运动 。前进 过程中，控制单元实时检测 多个位置传感器 5的状 态 ，转换 成模 拟 电流信号控制 比例流量 阀的节 流 口开 度 ，调节 液压 油流量 ，从 而实 现对 运动速 度 的控制 。 武器回退是装填的逆过程 ，旁通阀 2处于关闭状态， 系统压力油 由 比例 流量 阀 1的 C 口进 入 、由 D 口流 出 ，此时三位 四通 电磁 换 向 阀 3切 换 到 工 作状 态 A 位置 ，液压马达逆 时针旋转 ，带动武 器向后 运动。 液压锁 4与具 有 Y型 中位 机 能的 三位 四通 电磁 换 向阀 3组成锁紧 回路 ， ‘ 可 以很好地 防止液压油 的泄 漏。 2 装填液压系统控制系统设计 装填液压系 统 的 P L C控 制元 器 件选 用 德 国西 门 子公司的 7 - 2 0 0系列 产 品。 7 - 2 0 0模 块 化结 构 设计 使其具有良好的电磁兼容性、工业环境适应性和扩展 性 。 2 ． 1 装填液压 系统 的 P L C硬件结构 装填液压系统硬件结构如图2所示。中央处理单 元选用 C P U 2 2 6 ，含有 2 4点 D C 2 4 V输入和 1 6点继电 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 1 5 作者简介 韩宗真 ，男 ，工程师 ，主要从事电液控制技术研究。电话 0 2 7 8 8 0 4 3 3 8 38 5 0 1 ，Em a i l h a n k t y 1 2 6 ． c o rn。 9 6 机床与液压 第 3 8卷 器输出 ，数字 量扩展 模块 为 E M 2 2 3 ，模 拟量 输入 扩 展模块 为 E M 2 3 1 ，模 拟量 输 出扩 展模 块 为 E M 2 3 2 。 通过人机操作界面进行操作 的启动 、停 止 、装填 、回 退、复位、手动输入信号 以及系统运行状态显示。 E M 2 3 2输出0 2 0 m A信号通过集成放大器驱动比例 流量 阀，调节 液压 油流 量。E M 2 3 1采 集 比例流 量 阀 的阀芯位移信号形成闭环控制。E M 2 2 3为继电器输 出，控制电磁换向阀，改换液压油流向以控制武器装 填或回退。装填、回退位置传感器信号接 C P U单元 I ／ O输入点。 电 源 模块 1 人 机操作 界面 I ● ] [ ， ] [ ] [ ] [ f C P U 2 2 6 f E M 2 2 3 f f E M 2 3 1 f f E M 2 3 2 f 上 ．．L ] - 装 回 填 退 位 位 置 置 传 传 感 感 器 器 图2 系统硬件电路结构框图 2 ． 2 装填液压 系统的 P L C控制流程 2 ． 2 ． 1 控制软件总体介绍 控制系统中 ，P L C的输入主要是控制按钮 和传感 器信号，输出主要为电磁阀线圈控制信号和模拟量输 出信号。软件设计采用结构化编程模式，便于后续的 程序功能增减和调试修改，主要包括程序初始化 、主 程序以及子程序 3 个部分。系统上电后，P L C采用循 环扫描方 式 。首 先是 系统初 始化 ，主要包 括 对定 时 器 、计数器 、变量 以及模拟量模块 的初始化 ；接着进 行 系统 自检 ，然 后 是 故障报警判断。接着， 根据选择的管号，系 统按程序逻辑判断装 填按 钮 S B Z 和 回 退 按 钮 S B T 的 状 态 ，调 用 相应 的控 制 子程 序 。系统 控 制 流 程图 如 图 3所 示 。该 系统 软 件设 计 采 用 梯 形 图设计 方法 ，通 过 判断采集 的位置传感 器信号，按设定规律 输出模拟 电流信 号， 调节 比例 流量 阀的 流 量 ，达 到控 制 武 器装 填或 回退速度的 目的。 图3 P L C控制流程图 2 ． 2 ． 2 电液 比例控制系统设 计 电液控制技术 集 合 了电控 与液 压 的交叉 技术 优 势，指令及信号处理单元和检测反馈单元采用电子器 件，功率转换放大单元和执行部件采用液压元件。电 液比例控制系统利用电信号便于远距离控制以实现计 算机检测与控制，可明显简化液压系统，实现复杂程 序控制 。作者采用的电液比例控制系统组成原理 如图4 所示。电控制器按照程序设定规律输出电流信 号给 电液 比例流量阀 ，电液 比例流量 阀根据输入 电流 信号按 比例提供 流量控制 ，控制液压马达的转速 ，进 而调节负载的速度。电控制器根据检测元件反馈的位 置信号对输出电流进行调节控制。 前两 液比例流量阀 液压马达 负载 反馈 信 号 检 测元 件 位 置 图 4 电液 比例控制 系统组成原理框 图 电液比例流量阀是实现武器装填速度控制的关键 设备，其输出流量与输入的电流信号基本成正比关 系 0 4 m A输 入 电流信号 对应 输 出流 量 0 ；2 0 m A 输入电流信号对应最大输出流量 Q 。P L C模拟量输出 模块 E M 2 3 2 ，输出电流范围 0～ 2 0 m A，对应模拟量 输 出寄存器 A Q W数 字范 围 0～ 2 0 4 7 。设 为 比 例流量阀的输 出流量，l ， 为对应的模拟量输出控制 字 ，则模 拟量输 出寄存器控制字设置的表达式为 ⋯ 4 由于 E M 2 3 2模拟量输出寄存器 A Q W的控制 字有效位是 1 1 位 ，占据字长度 b i t l 6一b i t 0的 b i t 1 5一 b i t 4 ，见图5 ，因此，在用 Y 对 A Q W 赋值之前，还需 要对 y 左移 4位 。 图5 模拟量输出寄存器数据格式 2 ． 2 ． 3 装填速度 控制设计 武器装填装置将武器按 自动方式装入发射管的过 程中，开始阶段武器以高速进行装填，结束阶段武器 以低速进行装填。开始时武器高速装填是为了缩短作 战准备时间，结束时武器低速装填是为了避免武器与 发射管之间的瞬时作用力过大，损坏武器或者发射管 机械。武器装填速度控制的关键技术是高速到低速的 切换，既要保证总装填时间指标 ，又要确保不能损坏 武器或发射管。 装填速度由高速调节到低速，通过设置 P L C模 拟量输出寄存器 A Q W数值 ，调节输出电流信号 的大小 ，进而控制 电液 比例流量阀的流量来实现。其